| CATEGORII DOCUMENTE |
| Aeronautica | Comunicatii | Electronica electricitate | Merceologie | Tehnica mecanica |
CURS
Teledetectie
Obiectul teledetectiei
Teledetectia se poate defini ca un complex de activitati ce realizeaza obtinerea de la distanta, pe baza interactiunii dintre obiectele de pe suprafata Pamantului si niste senzori de radiatie electromagnetica, de informatii sub forma de imagine fotografica conventionala (in format analogic) sau de imagini raster (in format digital).
Termenul a fost introdus in anul 1960, referitor la observarea unei tinte cu ajutorul unui dispozitiv aflat la distanta. Procedeele de teledetectie au fost utilizate mai mult incepand de prin 1925, avand un rol important in timpul celui de-al doilea razboi mondial in domeniul fotografiei aeriene. Dupa 1960 echipamentele de teledetectie s-au dezvoltat intr-un ritm fara precedent marcandu-se o noua era in 1972 cand a fost lansat satelitul american ERTS-1 (American Earth Resources Technology Satellite), ulterior fiind redenumit Landsat. In momentul de fata exista mai multi sateliti care fac inregistrari de imagini pe intregul glob, si mai multe societati care furnizeaza servicii in acest domeniu.
Teledetectia poate fi: aeriana (imagini luate din avioane) satelitara (imagini luate din sateliti) si terestra (imagini luate de pe platforme de la o anumita inaltime). In toate situatiile inregistrarea imaginilor se bazeaza pe interactiunea dintre obiecte si radiatia electromagnetica.
Dupa 1980, cand au inceput sa prolifereze datele preluate prin teledetectie satelitara, alaturi de hartile realizate in sistem traditional, bazate pe simboluri si semne conventionale, a aparut un nou concept anume harta imagine.
Spectrul electromagnetic
Corpurile si fenomenele de la suprafata Pamantului interactioneaza cu radiatia electromagnetica prin fenomene de reflexie, absorbtie si emisie. Transmitand din spatiu catre suprafata terestra anumite radiatii (in mod natural de la Soare sau in mod artificial) si inregistrand raspunsul spectral se pot obtine informatii cu privire la forma, dimensiune, compozitie, temperatura etc. Folosirea radiatiei electromagnetice ca mijloc de comunicare intre obiecte si un senzor, fara a intra in contact nemijocit cu acesta, reprezinta calea cea mai rapida si eficienta de obtinere a informatiilor privitoare la unele proprietati ale acelor corpuri. Utilizand diferiti senzori, se colecteaza date care apoi urmeaza a fi analizate, pentru a obtine informatii despre obiecte si fenomene de pe suprafata Pamantului ce urmeaza a fi investigate.
Dupa cum se stie din manualele de fizica, spectrul electromagnetic (EM) este extrem de larg, doar o parte din el fiind accesibil ochiului liber. Aceste radiatii se caracterizeaza prin lungime de unda si frecventa. Asa cum se vede in figura 1, spectrul EM se poate imparti in cateva grupe importante: gama (g Roentgen (X), ultraviolet (UV), vizibil, infrarosu (IR), microunde si radio. Zona UV si IR este la randul lor impartita in trei sectoare: apropiat, mediu si indepartat. Spectrul vizibil este impartit in ordinea crescatoare a lungimii de unda in: violet, indigo, albastru, verde, galben, orange si rosu.
Figura 1. Spectrul electromagnetic
In mod obisnuit se masoara intensitatea radiatiei naturale - astfel de senzori se numesc senzori pasivi. Soarele este sursa principala de radiatie EM. In plus Pamantul, datorita starii sale termale, emite el insusi anumite radiatii. In anumite situatii, radiatia este generata artificial, iar semnalul este reflectat inapoi. In acest caz spunem ca este vorba de senzori activi. Un exemplu de senzor pasiv mai familiar este un aparat de fotografiat. Daca adaugam un flash vom avea un senzor activ.
Din teoria ondulatorie a radiatiei EM, avem adevarata relatia
c = ln
unde c este viteza luminii (3x108m/s), n frecventa, iar l lungimea de unda. Se observa ca lungimea de unda este invers proportionala cu frecventa. In teledetectie se foloseste cu predilectie lungimea de unda si nu frecventa.
Interactiunea dintre energia EM si materie este descrisa de mecanica cuantica. In conformitate cu aceasta, radiatia EM este compusa din unitati discrete numite cuante (fotoni), care au energia:
q = hn
unde h este constanta lui Plank (6,626 10-34J sec). Exprimand energia in functie de lungimea de unda obtinem
q = hc/l
din care se observa ca energia este invers proportionala cu lungimea de unda. Cu cat lungimea de unda este mai mare, cu atat energia transportata este mai mica. Acest lucru are o implicatie importanta in emisia de catre suprafata Pamantului a microundelor, care sunt mai greu de detectat decat radiatiile IR. Energia mai mica corespunzatoare unei lungimi de unda mari, impune ca sistemul de detectie sa "vada" areale mari de sol pentru a inregistra semnalul.
Orice corp cu o temperatura peste zero absolut (00K sau -2730C) emite continuu unde EM. Astfel si obiectele de pe suprafata Pamantului emit radiatii in diferite lungimi de unda, in diferite cantitati.
Se numeste corp negru sau radiator integral, un corp care absoarbe complet radiatia EM incidenta. Mentinut in echilibru cu mediul ambiant (T= const), acesta emite o cantitate de energie egala cu cea absorbita. Radiatia corpului negru nu depinde de forma lui, de compozitia chimica, ci numai de lungimea de unda si temperatura absorbita.
Figura 2. Radiatia corpului negru
Din legea lui Wien pentru corpul negru
lm T = b
si din masurarea tempeaturii mediului ambiant al Pamantului (3000K sau 270C ) rezulta o emisie de radiatie EM in lungimea de unda de 9,7 mm. Aici lm este lungimea de unda corespunzatoare careia avem un maxim la temperatura T (figura 2), iar b=2,8978 10-3 este constanta lui Wien. Deoarece aceasta lungime de unda este corelata cu caldura terestra se mai numeste "infarosu termal". Aceasta energie nu poate fi vazuta sau fotografiata, dar poate fi detectata cu echipamente specializate cum ar fi radiometrele sau scanerele IR. In IR avem atat unde reflectate (provenite de la Soare) cat si unde emise (de Pamant). In general sub 3mm energia este reflectata iar peste aceasta valoare este emisa si poate fi detectata doar cu sisteme nefotografice. Unii senzori cum ar fi cei radar, suplimenteaza energia EM prin emiterea de unde in mod artificial datorita energiei mici. Senzorii activi opereaza in domeniul vizibil utilizand o tehnologie laser (LIDARS) in primul rand pentru aplicatii oceanografice si in domeniul forestier. Acesti senzori nu depind de radiatia solara. Inregistrarile se pot face atat ziua cat si noaptea. In plus, deoarece lungimea de unda este mai mare, radiatiile nu sunt atat de distorsionate ca si undele scurte.
Efectele atmosferice
Radiatiile reflectate precum si cele emise de Pamant prin atmosfera, interactioneaza cu constituientii acesteia cum ar fi gaze, vapori de apa, praf in suspensie etc. Principalele efecte sunt imprastierea, absorbtia si emisia.
Imprastierea este o difuzie necontrolata a radiatiei EM. Exista doua tipuri de imprastiere: Rayleight, care apare datorita interactiunii undelor EM scurte cu particule cum ar fi molecule sau alte particule mai mici decat lungimea de unda si Mie in care radiatia EM cu lungime de unda mai mare interactioneaza cu particule mai mari decat lungimea de unda (vapori de apa, praf). Imprastierea Rayleight este mai pronuntata in domeniul UV, violet si albastru (sub 1mm). Acest tip de imprastiere are drept consecinta culoarea albastra a cerului. In lipsa acestei imprastieri, cerul ar fi negru. In ceea ce privesc efectele asupra imaginilor luate prin teledetectie, acest tip de imprastiere produce o estompare a claritatii (fenomen de ceata). Imprastierea Mie apare in paturile joase ale atmosferei. Influenteaza intreg spectrul (de la UV la IR), dar mai mult spre lungimi de unda mari (peste 1mm). Este dependenta de conditiile atmosferice. De mentionat faptul ca in IR termal radiatiile emise de suprafata Pamantului sunt influentate de vant.
Radiatiile emise sunt in mod selectiv absorbite de gazele care constituie atmosfera. Atomii si moleculele din gaze poseda un anumit nivel de energie. Acest nivel poate fi modificat prin absorbtia unui foton din unda EM emisa. Cei mai importanti constituienti din atmosfera care sunt implicati in procesele de absorbtie sunt H2O, CO2 si O3 (ozon). Radiatiile X si g sunt absorbite complet de catre stratul de ozon, iar radiatiile UV in mare masura. Radiatiile din domeniul vizibil si IR penetreaza atmosfera iar microundele si undele de lungime mare (centimetrice, metrice) patrund in cea mai mare parte. Regiunile spectrale cu absorbtia cea mai redusa se numesc ferestre atmosferice. In figura 3 am infatisat ferestrele atmosferice si zonele corespunzatoare lungimilor de unda in care are loc absorbtia.
Ca si suprafata Pamantului, atmosfera emite radiatii datorita starii sale termale. Aceasta este mai semnificativa in subdomeniul IR mediu, deoarece temperatura atmosferei este relativ mica. Efectul de autoemisie a atmosferei poate fi redus prin restrangerea observatiilor intr-o fereastra atmosferica mai buna.
Figura
3. Absorbtia atmosferica a
undelor electromagnetice
Interactiunea dintre radiatie si obiectele de pe suprafata Pamantului
Energia incidenta pe suprafata Pamantului este reflectata, absorbita si transmisa de catre obiecte, in diferite grade, pe diferite lungimi de unda. Aceasta particularitate ne permite sa distingem un obiect de altul, un fenomen de altul sau starea unui obiect de alta stare a aceluiasi obiect, in alte conditii fizice. In ceea ce priveste domeniul vizibil al spectrului, variatiile spectrale au ca rezultat ceea ce noi numim culoare. De exemplu, spunem ca un obiect este albastru daca reflecta in domeniul albastru al spectrului si absoarbe celelalte lungimi de unda. Putem zice ca ochiul uman utilizeaza variatia cantitatilor de energie incidenta in diferite domenii spectrale pentru a distinge obiectele.
Sistemele de teledetectie opereaza in regiunile spectrului in care energia este reflectata in cea mai mare parte, reflectanta fiind o proprietate foarte importanta a fiecarui obiect de pe suprafata Pamantului.
Reflectanta poate fi cuantificata masurand energia incidenta si cea reflectata. Se introduce un indice numit reflectanta spectrala definit prin raportul
rr = [(energia reflectata de obiect) / (energia incidenta)]
Energia se masoara doar pe lungimea de unda l. De obicei se exprima in procente
rr rr
Acest indice poate fi reprezentat grafic (luand in considerare toate lungimile de unda) si se numeste curba reflexiei spectrale. Astfel, se pot detecta variatii fine, cum ar fi o padure de foioase si una de conifere sau o apa adanca de o apa mai putin adanca, fiecare generand propria curba a reflectantei.
Interactiunea energiei cu atomii si moleculele din care sunt constituite obiectele de la suprafata Pamantului, produce o absorbtie selectiva a radiatiei. O anumita radiatie cu o lungime de unda data poate fi absorbita de un obiect daca energia fotonului incident este suficient de mare ca sa produca o tranzitie in nivelul energetic al atomului sau moleculei. Si in acest caz se defineste un indice de absorbtie
rA = [(energia absorbita de obiect) / (energia incidenta)]
Si aici energia se masoara doar pe lungimea de unda l, iar indicele se exprima tot in procente:
rA rA
Asa cum am mentionat, datorita temperaturii sale, Pamantul este o sursa de radiatie. Aceste radiatii constituie energia predominanta la lungimi de unda de peste 3mm. Fenomenul de emisie depinde de temperatura si proprietatile de emisivitate a corpului.
In urma efectuarii a numeroase masuratori s-a constatat ca din radiatia provenita de la Soare numai aproximativ 31% patrunde ca radiatie directa prin limita superioara a atmosferei, restul comportandu-se astfel: 30% este reflectata in spatiu din cauza ozonului, norilor si a altor componente ale atmosferei, 17% este absorbita de catre atmosfera si 22% este imprastiata si inapoiata ca radiatie difuza de catre suprafata terestra.
Reflexia sau emisia undelor electromagnetice de catre obiecte sau fenomene de la suprafata Pamantului se numeste raspuns spectral si este infatisat printr-o curba intr-un plan cu axa OX - lungimea de unda (in mm), iar OY - refelxia sau emisia (in %).
In figura 4 am infatisat curbele reflectante pentru 3 tipuri de obiecte: vegetatie (sanatoasa), sol (uscat) si apa (curata). Liniile reprezinta o medie a reflexiei. In general, alura curbei este un indicator al tipului obiectului si al proprietatilor fizice ale acestuia. Vegetatia este verde deoarece ea absoarbe mult in rosu si albastru, reflectand in domeniul verde. Clorofila absoarbe radiatii cu lungimi de unda intre 0,45 - 0,67mm. Daca din diferite cauze, vegetatia nu mai produce suficient de multa clorofila, aceasta nemaiputand absorbi rosu si albastru, rezulta o reflexie cu o lungime de unda intre acestea, avand culoarea galbena. In ceea ce priveste solul, reflexia este influentata de urmatorii factori: umiditate, textura (proportie de nisip si argila), rugozitate, prezenta oxidului de fier, continutul de materie organica. Acesti factori sunt complecsi, variabili si intercorelati. Apa curata reflecta in domeniul albastru - verde, pe celelalte absorbindu-le in cea mai mare parte. Prezenta turbiditatii in apa (datorita substantelor organice sau a materiei organice in suspensie) va produce o alta curba de reflectie.
Figura
4. Curbele refelctante pentru trei
tipuri de obiecte
Fiecare banda spectrala este folosita pentru un gen de aplicatii precis. De exemplu banda UV se utilizeaza in special in explorari minerale, detectarea zacamintelor de petrol; banda IR in domeniul 0,7 - 1,5 mm se utilizeaza pentru detectarea vegetatiei afectate de poluare, daunatori etc; IR din domeniul 1,5 - 3 mm este un amestec intre energia solara reflectata si energia emisa de Pamant si se utilizeaza in medii atmosferice pentru detectarea zapezii din nori.
Domeniul 3 - 5 mm este util pentru detectarea obiectelor fierbinti: incendii de padure, vulcani. Radiatia emisa cea mai puternica este in domeniul 8-14mm care se detecteaza pe baza vibratiilor moleculelor. In lungiumile de unda milimetrice detectia se face atat cu senzori pasivi cat si cu senzori activi. Ambele sunt sensibile la proprietatile dielectrice ale materialului si la continutul de umiditate. Undele radar sunt de asemenea sensibile la forma obiectelor.
Raspunsul spectral inregistrat de senzori reprezinta o masura cantitativa a caracteristicilor obiectelor (sau fenomenelor) care se studiaza, si se mai numeste signatura spectrala. Aceasta se considera ca este unica pentru un obiect in anumite conditii exact stabilite.
Detectia energiei EM se face fotografic sau electronic. Procesul de fotografiere se bazeaza pe reactii chimice ce se produc pe o suprafata fotosensibila. Aceasta prezinta urmatoarele avantaje: simplu, eficient si furnizeaza un mare grad de detaliu. Senzorii electronici genereaza un semnal electric care corespunde variatiilor de energie pe suprafata terestra in studiu. Un exemplu mai familiar de inregistrare electronica este camera video. Desi acesti senzori sunt foarte scumpi si complecsi, prezinta avantajul ca pot detecta energia pe un domeniu mult mai larg al spectrului, pot transmite datele (in vederea inregistrarii pe un suport magnetic) si permit o mare varietate de prelucrari ulterioare.
In teledetectie se vehiculeaza notiunile de fotografie si imagine. Cand se face referire la fotografie se subintelege ca este vorba de o inregistrare pe un film (spunem ca avem o inregistrare in format analogic). Cand se vorbeste de o imagine, aceasta poate fi orice inregistrare, in orice domeniu spectral, in format digital sau analogic, a unui peisaj. O fotografie este o imagine, dar nu invers.
Interpretarea vizuala a imaginii a fost mult timp principala tehnica de obtinere a informatiei. Aceasta presupune o experienta indelungata in studiul unor areale care erau cunoscute prin alte mijloace. Sigur ca acest lucru prezinta un mare dezavantaj, la care mai putem adauga imposibilitatea de a evalua anumite caracteristici spectrale, in lungimi de unda imperceptibile pentru ochiul uman. Toate acestea au condus la ideea de a inregistra imaginea in forma digitala. Formatul digital permite si o gama foarte larga de prelucrari conducand in final la o interpretare facila a imaginii rezultate.
Ce este o imagine digitala
La modul cel mai general, o imagine digitala consta dintr-o matrice de numere ce infatiseaza o distributie spatiala a unor parametrii. Acestia pot fi: reflectanta radiatiei electromagnetice (albedoul), emisivitatea, temperatura, topografia, sau orice alt parametru cantitativ. Fiecare punct din imagine este un numar intreg reprezentat, de obicei pe 8 biti, cu valori cuprinse intre 0 si 255. Intensitatea cea mai slaba a parametrului sau lipsa lui este asociata cu 0 iar intensitatea cea mai mare este 255, restul avand valori intermediare. Fiecarui octet ii corespunde o intensitate sau o nuanta de culoare in reprezentarea sa pe un monitor.
Sa vedem cum se realizeaza tehnic o imagine digitala. Semnalul electric provenit de la senzor este in format analogic. Intervalul este discretizat intr-un numar finit de subintervale. Acesta este esantionat generandu-se o valoare care este egala cu valoarea maxima a impulsului electric pentru fiecare subinterval. In figura 5 am reprezentat un semnal electric in planul XOY, in care axa OX reprezinta lungimea, iar axa OY tensiunea inregistrata de senzor (in mV). Imaginea raster care se formeaza, va avea pe axa OX valori discrete de lungime, iar pe OY valori discrete intre 0 si 255. Unul din marile avantaje ale unei imagini digitale vis vis de o aceeasi imagine in format analogic este ca, prin inregistrare numerica se pot cunatifica valori foarte apropiate, care altminteri nu pot fi sesizate. Prin operatiile analizei de imagini se pot distinge efecte foarte fine.
Figura 5. Transformarea semnalului analogic in
semnal digital
Asa cum am precizat mai sus, datele preluate prin teledetectie sunt stocate pe suporturi magnetice sau CD-ROM. Inainte de a fi livrate, imaginile sunt corectate, preprocesate (vezi mai jos) si reformatate in mai multe sisteme de codificare interna pentru a satisface cat mai multi utilizatori. Inregistrarea datelor se face sub forma de fisiere binare. Fiecare fisier contine si anumite informatii suplimentare ca de exemplu localizarea, data si ora GMT, tipul de senzor, altitudinea etc.
O imagine digitala poate avea urmatoarele destinatii: prelucrarea si interpretarea ei directa, pe de o parte si utilizarea ei in cadrul GIS atat ca imagine care poate fi asociata unei harti digitale cat si ca date de intrare pentru construirea unei harti vectoriale prin procedee fotogrametrice. De multe ori se intampla ca atunci cand imaginea se utilizeaza doar pentru interpretari vizuale, beneficiarul sa o ceara sub forma analogica (fotografii) pe celuloid. Si aceasta maniera era cea mai uzitata inainte de perfectionarea echipamentelor de calcul. La ora actuala toate imaginile sunt luate in forma digitala, poate cu mici exceptii, indiferent de destinatia sa. Stocarea si distribuirea imaginilor sub forma analogica are cateva neajunsuri: (1) calitatea filmului se deterioreaza cu timpul, (2) reproducerea in vederea distributiei este insotita de o pierdere de informatie, (3) prelucrarea numerica a lor presupune o conversie a imaginii in forma digitala.
Rezolutia imaginilor digitale
Rezolutia este un concept care se defineste pentru fiecare echipament sau fenomen care necesita o asfel de caracteristica. De exemplu, rezolutia unui monitor se defineste ca fiind numarul maxim de linii si de coloane. In acest caz deosebim rezolutia de definitie, care exprima dimensiunea maxima a pixelului perceput de catre ecran. In ceea ce priveste imaginile digitale avem mai multe tipuri de rezolutii: spatiala, radiometrica, spectrala si temporala.
Rezolutia spatiala, definita in forma sa cea mai simpla, este cea mai mica suprafata terestra a carei reflectanta (sau emisie) poate fi masurata de catre un senzor. De exemplu, o rezolutie de 10m inseamna ca un pixel reprezinta o arie de 10x10mp pe suprafata terestra. In consecinta nu se percep obiecte sub aceasta dimensiune. Totusi se pot detecta si caracteristici liniare care sunt sub 10m, in anumite cazuri speciale. De exemplu, un drum de culoare alba, cu latimea de 8m, care trece printr-o padure ce reflecta culoarea verde, ar putea fi detectat. Pentru exemplificare mentionam ca senzorii TM (Thematic Mapper) de la Landsat 5 are o rezolutie spatiala de 30 m, iar HVR (High Resolution Visible Range) de la SPOT 1 o rezolutie spatiala de 20 m, in trei benzi, verde, rosu si IR apropiat (reflectat) si de 10 m in pancromatic.
Datele inregistrate de scanere au un anumit domeniu de intensitate. Obiectele foarte stralucitoare au o intensitate maxima, iar cele care nu reflecta au intensitate 0 (zero). Rezolutia radiometrica exprima numarul de valori intermediare aflate in domeniul 0 si intensitatea maxima si se masoara in biti. Avem o mare varietate de posibilitati: reprezentare pe 1 bit (0 si 1 sau alb si negru), pe patru biti (cu 16 variante), pe 8 biti (1 Byte) cu 256 posibilitati, pe 10 biti cu 1024 valori diferite. Aceste valori corespund nuantelor de gri. Cu cat numarul nuantelor de gri este mai mare, cu atat este mai mare rezolutia (imaginea este mai "neteda " si contrastul este mai slab). De exemplu Landsat 5 are 64 valori pentru MSS si 256 pentru TM. Intre rezolutia spatiala si cea radiometrica exista o stransa legatura. Fluxul de biti de la satelit la statia terestra este diferit pentru rezolutii spatiale sau radiometrice diferite. Sa comparam HVR in pancromatic si color. In pancromatic semnalul se inregistreaza pe 6 biti, iar color pe 8 biti pe fiecare din cele trei benzi. In total 6 biti pe o suprafata de 10x10 =100 mp, respectiv 8x3=24 biti pe o suprafata de 20x20 mp. Este exect acelasi numar de biti pentru o aceeasi suprafata.
Rezolutia spectrala reprezinta numarul de canale spectrale pe care se face inregistrarea. Fiind localizat domeniul spectral pentru o anumita activitate, urmatoarea sarcina este de a inregistra banda spectrala pentru a detecta un anumit fenomen. Pentru cele mai multe situatii o banda larga permite o rezolutie spatiala buna astfel ca sunt disponibile multe detalii. Daca se cere un studiu mai precis, sa deosebim o padure de conifere de una de stejar de exemplu, este nevoie de o inregistrare intr-un anumit numar de canale.
Rezolutia temporala se defineste ca fiind intervalul de timp scurs dintre doua treceri consecutive ale satelitului deasupra aceluiasi areal. Exista foarte multe aplicatii in care se urmaresc variatii in timp a unor procese sau fenomene de pe suprafata Pamantului. Este necesar deci, ca acel areal sa fie survolat periodic. Rezolutia temporala pentru Landsat este de 17 zile, iar pentru SPOT de 26 zile.
|
Politica de confidentialitate | Termeni si conditii de utilizare |
Vizualizari: 1611
Importanta: 
Termeni si conditii de utilizare | Contact
© SCRIGROUP 2024 . All rights reserved
